Verfahren zur mechanischen Trennung zwischen Hüllrohr und Brennstoff von Leichtwasserreaktor-Brennelementen

Koch, R.

Book/Report

FZJ-2018-02451

Verfahren zur mechanischen Trennung zwischen Hüllrohr und Brennstoff von Leichtwasserreaktor-Brennelementen

Koch, R. (Corresponding author)FZJ*

1984
Kernforschungsanlage Jülich, Verlag Jülich

Jülich : Kernforschungsanlage Jülich, Verlag, Berichte der Kernforschungsanlage Jülich 1955, 104 p. (1984)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/18097

Report No.: Juel-1955

Abstract: Die wesentlichen Entwicklungen auf dem Gebiet der mechanischen Enthüllung von Reaktorbrennstäben wurden Mitte der 50er-bis Mitte der 60er-Jahre gemacht. Eine Durchsicht und kritische Bewertung der Erfahrungen mit den verschiedenen Verfahren führen zu einem Forderungskatalog, der das hohe Aktivitätsniveau, die Brandgefahr, die vom Zircaloy ausgeht, Brennstabschäden u. a. m. berücksichtigt.Neben der Auswahl geeigneten Simulationsmaterials ist es nötig, die prinzipiell möglichen Wege aufzuzeigen, die mit mechanischenEnthüllverfahren beschritten werden können. Die einzelnen Alternativen unterscheiden sich dabei durch mehr oder weniger weitgehende Konzessionen, die an die ideale, aber nicht praktikable Lösung gemacht werden, nämlich die Trennung in einem Schrittüber die gesamte Brennstablänge zu vollziehen. Eine Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile heute bekannter Trennverfahren führt zu zwei Möglichkeiten, die ohne direktes Werkzeug - sozusagen berührungslos - arbeiten und über die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von keramischem Brennstoff und metallischem Hüllrohr auch bei Brennstabschäden selbstständig die Trennstelle Brennstoff-Hüllrohr finden. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren wird die Trennung nicht über die Bearbeitung des Hüllrohrs, sondern über die Bearbeitung des Brennstoffs bewerkstelligt. Vorversuche führten schließlich zur Nutzung von Kavitationserosion als Brennmechanismus. Die Kavitationserosion ist die Folge von implodierenden Dampfbläschen, die zu einer dynamischen Belastung hoher Frequenz und hoher Amplitude führen. Der Trenneffekt beruht auf den unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften. Duktile Werkstoffe widerstehen einer dynamischen Belastung in der Regel wesentlich besser als spröde Materialien. Die Vorversuche bestätigten diese Aussage für die Werkstoffkombination des Brennstabs. Systematische Versuche, bei denen Druck, Volumenstrom, Düsengeometrieund Abstand zwischen Düse und Probe variiert wurden, führten zu optimierten Parametern. In den Beziehungen Druck-Erosionstiefe und Volumenstrom-Erosionstiefe war jeweils ein Sprung festzustellen. Insofern stellten sich als günstige Parameter p = 700 bar und d = 1,6 mm heraus. Die Abhängigkeit zwischen Abstand Düse - Probe und dem Erosionsergebnis hat ebenfalls ein Optimum bei s = 50 mm. Dieser Abstand kann im Verlauf der Bearbeitungszeit verringert werden. Ein großer Eintrittswinkel kombiniert mit einem Düsenaustrittskanal der Länge l = 1/2 D verbessert das Erosionsergebnis erheblich. Eine thermische Schädigung des Simulationswerkstoffs läßt die Erosionsgeschwindigkeit stark ansteigen. Die Erosionskurve verläuft günstiger und führt zu einem höheren Ergebnis, weil die Erzeugung (Inkubation) von Rissen nicht mehr nötig ist. Die Erosionstiefe nähert sich mit der Zeit nach einem steilen Anfangsbereich einem Grenzwert. Mit den o. g. Daten ist das Leeren eines 400 mm langen Brennstabs innerhalb von 70 Sekunden möglich. Der Angriff des kavitierenden Wasserstrahls auf das Hüllrohr verursacht einen Gewichtsverlust von $\le$ 2 %. Das Verfahren bleibt weitgehend unabhängig vom Brennstabdurchmesser. Im Extremfall wird lediglich eine andere Düsenbestückung notwendig sein. Auch ist die Trennung zwischen Matrix und Brennstoff von Brennelementkugeln durch Kavitationserosion denkbar,wenn man die Handhabungseinrichtungen auf die Kugeln umstellt. Nach Thiele /45/ ist es möglich, mit einem Wasserstrahl in Luftdie Graphitkugel aus dem Hochtemperaturreaktor zu zerstören. Die Zielsetzung, also die Frage, ob man den Scheraufwand gering halten möchte oder ob die Wasserstrahlanlage möglichst wirtschaftlich arbeiten soll, bestimmt den Leistungsbedarf eines Hochdruckwasseraggregats zur Hüllrohr-Brennstoff-Trennung in einer 700 Jahrestonnen-Wiederaufarbeitungsanlage, der zwischen1500 und 700 kW für den Pumpenantrieb liegt.

Contributing Institute(s):